CN1977210A - 波导型光控制元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种波导型光控制元件，具有：光波导，其由具有电光效应或热光效应的绝缘材料构成；控制用电极，其接触或接近于光波导而被设置，并且，光波导的传播损耗在波长为1.3～1.6μm时为1dB/cm以下，其特征在于，由其载流子电子浓度为5.5×1020个/cm3以下、且电阻率在9.5×10－4Ωcm以下的导电氧化物膜构成上述控制用电极，而且导电氧化物膜对波长为1.55μm的光波的衰减系数为0.240以下。

Description

波导型光控制元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于在光纤通信、光纤计测中控制光波的强度、相位、偏振状态的波导型光控制元件。
背景技术
在光纤通信系统及光纤计测系统中，需要对光波的强度、相位、偏振状态等进行种种处理。因此，例如光强度调制器、光开关、关衰减器等，已经在开发应用中。
在这些光处理技术中有一门光波导技术。光波导技术具有易实现低电压、集成化、牢固、能够进行大批且廉价的制造的优点。用于光波导基板材料的有半导体材料、氧化物结晶材料、玻璃等多种材料。其中，对于光波导强度调制器，作为基板材料而多用以铁电体铌酸锂或锆钛酸铅镧(leadlanthanum zirconate titanate)等为代表的、具有电光效应的氧化物结晶材料。
这里，利用以下式(1)、式(2)来说明接触或接近于光波导而设置的控制用电极的作用。
Δф＝(2π/λ)·δn·L          (1)
δn＝(-1/2)·n3·r·Γ·(V/G)   (2)
在上述式(1)中，Δф是因施加电压而产生的相位变化量，λ是输入波长，δn是所导致的折射率变化，L是电极长度。
另外，在式(2)中，n表示折射率，r表示基板结晶的电光常数(electro-opticconstant)，Γ表示光波及电场重叠参数，V表示施加电压，G表示电极间间隔。
并且，由式(1)、式(2)可知，要得到尽可能大的相位变化Δф，则需要得到尽可能大的折射率变化δn。
因此，以下几点变得重要。
(1)尽可能缩小电极间间隔G。由此能够增强电场。
(2)增大光波及电场重叠参数。为此，尽可能增大电极宽度，而在光波导模式分布的基板内使深的区域的电力线增多，从而得到足够强的电场。
通常，由于在受到所利用的光波导的面积的限制范围内，将电极宽度构成为最大，所以电极宽度的可增大的程度受到限制。因此，研究如何缩小电极间间隔G。
这里，整理表示使用铌酸锂基板而利用了该基板材料的电光效应的波导型光控制元件所共有的典型的结构、以及制作该元件的步骤。作为这种波导型光控制元件的一个例子，而在图6中例示出马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪型光强度调制器的光电路(optical circuit)结构及其结构元件。
通过光刻技术，在铌酸锂基板11上形成宽度为10μm左右的、金属Ti的条带(strip)，然后在1000℃左右对基板进行处理，而使Ti原子扩散到铌酸锂基板内部。其结果，Ti原子扩散到深度为5μm左右、宽度为10μm左右的范围内而形成分布。在该部分，折射率大致与Ti原子的浓度成正比而上升。该折射率的上升区域成为光波导12a、12b、13a、13b、15。在该区域，将在光纤通信系统中所使用的波长为1.3～1.55μm的光波，以单一模式进行传播。
紧接着光波导的形成，在铌酸锂基板的光波导面上蒸镀SiO2而形成缓冲(buffer)层。缓冲层的作用是使使用于电极的金属不吸收上述光波。
然后，在缓冲层的表面蒸镀金属薄膜，并刻画图案而作成图6中的14a、14b所示的电极。在刻画电极的图案时，与形成上述的光波导时同样，使用光刻技术。即，例如在蒸镀Ti、Cr而形成的膜上均匀地蒸镀Au，然后执行通过化学蚀刻来除去不需要部分的蚀刻法、形成了刻画图案的光致抗蚀膜之后蒸镀金属材料接着溶解除去光致抗蚀膜的剥离(lift off)法。
作为电极的第一层而使用Ti、Cr，这是由于这些例如与称为铌酸锂结晶的基板材料和用作缓冲层的SiO2的附着性也很出众。另外，作为第二层而使用Au，这是由于Au的导电性能、耐环境性能优越、且引线接合容易。
然而，如上所述，缓冲层的作用是使电极所使用的金属不吸收传播在光波导内的光波，但存在因存在缓冲层而发生的问题。例如，DC漂移(Drift)。
针对所谓的DC漂移是哪种现象进行说明。光波导区域的电场E，可用式(3)表示，其中，V表示外部施加电压，g表示电极间间隔。
E＝V/g                                 (3)
但是，在此，g并不是在式(1)中所利用的实际的电极间间隔G，而是为了直观地理解而导入了有效的电极间间隔值g。
若根据式(3)，则只要能够将V保持为一定，就能够将E保持为一定，从而能够将光输出保持为一定值。但是，即使将外部施加电压V保持为一定，E也会发生随时间的变化，其结果，出现无法将光输出保持为一定的现象。这就是DC漂移。该DC漂移是作为在缓冲层自身以及缓冲层与光波导基板的界面上的、有效的容量成分与电阻成分的效应而发生的现象。为了实际使用光开关、光调制器等波导型光控制元件，而需要抑制DC漂移。
为了消除DC漂移而除去了缓冲层时，为了防止电极吸收光波而需要某种可替代缓冲层的对策。特别地，在单一模式光纤系统中通常偏振状态不为随时间一定，所以在其中所使用的波导型光控制元件中，对于电场振动方向平行于基板面且电极的吸收不显著的TE模式、和电场振动方向随时间垂直且电极的吸收显著的TM模式的两种模式要求体现出相同的行为，即要求无偏振依赖性。
另外，在利用了热光效应的波导型光控制元件中，基板采用石英玻璃或高分子材料等、透明性高且折射率的温度依赖性适当大的材料。并且，将Cr等金属导体条带只设置在干涉仪的单方支路(Arm)上，并使电流流过其中而产生焦耳热，而通过该热来仅使单方支路的折射率发生变化，其结果，在两个支路之间产生相位差。利用该相位差来使输出光量变化的这一点，与电光效应完全相同。
并且，金属导体与上述电极同样吸收光波，所以在不使用缓冲层时，需要使金属导体从光波导远离一定距离，另外，在使用了缓冲层时，虽然能够使之更为接近，但需要进行设置缓冲层的工序。
作为对于这种复杂问题的解决对策，而提出了将ITO膜(Indium TinOxide膜、In2O3:Sn膜)用于控制用电极的结构，其中，上述ITO膜是在可见区透明的导电氧化物(参照德国专利DE3724634号公报)。据此，则在光波导上成膜ITO膜而作为电极，并在其上设置保护膜层。
通常，当光入射到物质时，一部分被反射，而剩余部分的一部分被吸收到物质内，进而其剩下的部分被透过。In2O3类的导电氧化物材料是n型半导体，而存在载流子电子，其移动贡献于导电。在这种导电氧化物膜中的载流子电子吸收及反射近红外区的光。导电氧化物膜中的载流子电子越多，则对近红外光的反射及吸收量就变得越多(参照欧姆(OHM)公司、日本学术振兴会编，《透明导电膜技术》P55～57)，从而导电氧化物膜的衰减系数变得越大。
虽然现在被广泛应用的ITO膜的电阻低，但载流子电子浓度变为8×1020个/cm3以上时，在波长为1.3～1.6μm的近红外区，反射及吸收变得显著。若将这种膜接触或接近光波导而用作控制用电极，则传播在光波导内的波长为1.3～1.6μm的近红外光的损耗变得显著。因此，作为使用波长为1.3～1.6μm的红外光的光波导用的控制用电极，而需要载流子电子的浓度小。
另一方面，物质的电阻率ρ(导电率1/ρ)依赖于载流子电子浓度n与载流子电子的迁移率μ的积(1/ρ＝enμ、e：电荷量)。为了实现载流子电子浓度低、且导电率高的电极材料，而需要载流子电子的迁移率μ变大。ITO膜的载流子电子的迁移率约为10～35cm2/Vsec。作为n型半导体的氧化铟(In2O3)类材料的载流子电子的迁移率，主要取决于离子化杂质散射(ionizedimpurity scattering)或中性杂质散射(关于杂质，将以离子的状态被掺杂的杂质称为离子化杂质，将吸附在周围的多余的氧而以中性状态被掺杂的杂质称为中性杂质)。
若为了增大载流子电子浓度而添加的杂质元素的量变多，则载流子电子发生散射，从而载流子电子的迁移率下降。虽然能够增加导入到ITO膜的氧而降低ITO膜的载流子浓度，但因导入氧而中性杂质物增加，因此ITO膜的迁移率进一步变小，从而导致导电率显著下降。
发明的公开
ITO膜在光纤通信领域所使用的光波长区域1.55μm波段，不能说充分实现低吸收，例如，利用ITO来制作具有长度为40mm的控制用电极的波导元件的上述电极时，无法避免起因于该电极的损耗成为8dB左右。就这种损耗程度则无法说具有实用性，而需要实现更低的损耗。
如果能够降低电极的光波吸收，则不仅能够降低元件的插入损耗，还能够降低驱动电压。这是由于：如果光学吸收被降低，则将损耗控制为一定时，能够取得更窄的电极间间隔。如果使电极间间隔变窄，则假设电压相同时光波导区域的电场会增强。
因此，如果使电极间间隔变窄，则在低电压下也能够致使发生一定值的折射率变化，其结果，能够实现低驱动电压的元件。
本发明是着眼于这种问题而提出的，其目的在于，提供一种能够抑制DC漂移、且能够实现低电压驱动、及对于任意的输入偏振波的低损耗的波导型光控制元件及其制造方法。
即，本发明提供一种波导型光控制元件，具有：光波导，其由具有电光效应或热光效应的绝缘材料构成；控制用电极，其接触或接近于光波导而被设置，并且，在波长为1.3～1.6μm时的光波导的传播损耗为1dB/cm以下，其特征在于，
由载流子电子浓度为5.5×1020个/cm3以下、且电阻率为9.5×10-4Ωcm以下的导电氧化物膜构成上述控制用电极的同时，导电氧化物膜对波长为1.55μm的光波的衰减系数为0.240以下。
若根据发明者所进行的实验及调查，则不会使对于波长为1.3～1.6μm的近红外线的反射及吸收增大(即不会使衰减系数增大)的电极膜的载流子电子浓度必须为5.5×1020个/cm3以下，优选为4.0×1020个/cm3以下，并且，只要满足该条件、且满足电阻率为9.5×10-4Ωcm以下的条件，则能够用于光波导用的控制用电极中。
并且，满足这种条件的导电氧化物膜可以由以氧化铟为主要成分、且以钛/铟的原子数比为0.003～0.120的比例含有钛元素的结晶性导电氧化物膜构成。
这是由于：通过采用结晶性导电氧化物膜，而迁移率与作为非晶质的相同组分的氧化物膜相比明显增加，从而能够使导电性能显著提高。并且，通过溅射蒸镀法成膜导电氧化物膜时，若在将基板温度加热到140℃以上的状态下进行成膜，则能够得到完全结晶性的膜。或者，在不到140℃的基板温度下，通过溅射蒸镀法成膜了含有非晶质相的氧化物膜之后，再通过150℃以上的加热处理，也同样能够使其结晶化。若在空气中进行长时间的加热处理，则多余的氧会导入到氧化物膜中而引起导电性能的下降，但若在真空中(例如1Pa以下)、或在惰性气体(氮气或氩气等)中进行，则能够避免由过渡的氧化所导致的氧化物膜的导电性能的下降，从而能够得到稳定且低电阻的结晶膜。另外，即使是在空气中进行的加热处理，只要是尽量为低温且短时间的处理，例如只要是在150～200℃下进行10分钟左右，则能够避免导电性能的恶化而得到结晶膜。并且，由于后述的原因，优选将作为上述控制用电极的导电氧化物膜的厚度设定为100nm～5μm。
另外，也可以在导电氧化物膜的表面上作为辅助电极而形成有单层或多层的金属膜。设置上述辅助电极的原因如下。由导电氧化物膜构成的控制用电极可谓是低电阻，但其电阻远高于典型的金属，例如金、铝、钛。然而，若由导电氧化物膜构成的电极变长到40mm左右，则电极的电阻有时会给光波导器件带来坏影响。例如，在要求高速响应的元件中，会发生由电极电阻所导致的时间延迟。另外，电力输入大时，若电极电阻高则会发生热量。解决这种问题而利用起导电氧化物的本来的特征的方法就是好好利用起典型的金属的高导电性能(低电阻)与导电氧化物的透明性的两者。
具体地说，首先利用导电氧化物在光波导的两肋以例如20μm的间隔各形成宽度为50μm的电极图案之后，在其上，利用金、铝、钛等典型的金属重叠形成具有比先设置的由导电氧化物的电极更大的间隔、例如40μm的间隔的电极图案。另外，从基板上的电极的布线是由后设置了的金属膜来进行。这样一来，由于典型的金属的电极的间隔充分大，所以不会影响光损耗。另外，也能够克服仅由导电氧化物构成的电极的电阻比典型的金属高的弱点。
接着，为了制作本发明的波导型光控制元件，而在由具有电光效应或热光效应的绝缘材料构成的光波导的上方或附近，作为控制用电极而成膜导电氧化物膜时，通过将含有铟和钛的氧化物烧结体作为原料来使用的溅射蒸镀法或离子电镀法来进行成膜。
并且，通过溅射蒸镀法成膜导电氧化物膜而作为控制用电极时，可以将光波导的基板与靶之间的距离设为50～80mm，将进行溅射成膜中的成膜气体中的氧含量设为相对氩气量的0.25～4％，而且，将成膜气压设为0.3～1.0Pa，将上述基板温度设为140℃～350℃。或者，在形成作为上述控制用电极的导电氧化物膜时，也可以将光波导的基板与靶之间的距离设为50～80mm，将进行溅射成膜中的成膜气体中的氧含量设为相对氩气量的0.25～4％，而且，将成膜气压设为0.3～1.0Pa，将上述基板温度设为不到140℃，并在上述条件下通过溅射蒸镀法形成了氧化物膜之后，对该氧化物膜在150℃～350℃下进行加热处理。优选在真空中或惰性气体中进行该加热处理。
关于作为控制用电极而成膜上述导电氧化物膜的方法，虽例示了溅射蒸镀法或离子电镀法，但并不仅限定于这些等的成膜方法，理所当然地，也可以采用其他可适用的成模方法。
如上所述，本发明的波导型光控制元件，其特征在于，由其载流子电子浓度为5.5×1020个/cm3以下、且电阻率为9.5×10-4Ωcm以下的导电氧化物膜构成光波导的控制用电极，而且上述导电氧化物膜对波长为1.55μm的光波的衰减系数为0.240以下。
并且，通过采用载流子电子浓度等所确定的导电氧化物膜，而省略了形成缓冲层，从而能够抑制DC漂移，而且能够实现低电压驱动、及对任意的输入偏振波的低损耗。
另外，作为上述导电氧化物膜而使用添加有钛的结晶性的氧化铟类导电氧化物膜材料(In-Ti-O，以下简称为ITiO)，其与以往主要采用的ITO(In-Sn-O)材料相比在近红外区的光波的透过性格外优越，其结果，能够将电极间间隔设计得窄，从而能够实现对于TE以及TM模式两者的输入偏振光兼备低电压性能和低损耗性能的波导型光控制元件。
进而，在利用热光效应的波导型光控制元件中，使用作为发热体而添加有钛的结晶性的氧化铟类导电氧化物膜材料(ITiO)，其具有低光吸收性，所以能够几乎不受限制地使发热体接近于光波导，从而能够高效地致使发生折射率变化，因此能够实现低电力化。
因此，若根据本发明，则能够提供可利用于红外区的光纤通信中的、损耗极小且低电压驱动的高性能的光调制器或电光开关、偏振波控制设备、可变光衰减器，所以在工业上极为有用。
附图的简单说明
图1是表示本发明的波导型光控制元件的一个例子的立体图。
图2是表示实施例19的波导型光控制元件上设置了电极长度的电极形状的俯视图。
图3是表示实施例19的电极长度与其损耗之间的关系的曲线图。
图4是表示设置了实施例43的电极间间隔的电极形状的俯视图。
图5是表示实施例43的电极间间隔与其损耗之间的关系的曲线图。
图6是表示以往例子的波导型光控制元件的一个例子的立体图。
用于实施发明的最佳方式
本发明提供一种在波长为1.3～1.6μm的范围内的光波导的传播损耗为1dB/cm以下、且控制用电极对波长为1.55μm的光波的衰减系数为0.240以下的波导型光控制元件及其制造方法。
这里，波导型光控制元件的插入损耗是：对元件的光输入输出所导致的损耗、光波导所导致的损耗(传播损耗×光波导长度)、以及控制用电极所导致的损耗(额外损耗×电极长度)的合计值。
在本发明中，使用特定的导电氧化物膜而作为上述波导型光控制元件的控制用电极。具体地说，采用载流子电子浓度为5.5×1020个/cm3以下、且电阻率为9.5×10-4Ωcm以下的导电氧化物膜。通过使用这种导电氧化物，可使在波长为1.3～1.6μm的范围内的光波导的传播损耗为1dB/cm以下，并且可使控制用电极对波长为1.55μm的光波的衰减系数为0.240以下。
更加具体地说，如实施例所示，采用了以钛/铟的原子数比为0.003～0.120的比例包含有钛元素的结晶性导电氧化物膜的波导型光控制元件就是如此。另外，如上所述，通过采用结晶性导电氧化物膜，而与非晶质的相同组分的氧化物相比，能够显著提高导电性能。这是因为：通过采用结晶膜，而钛置换氧化铟的铟位置，从而形成了高迁移率的膜。在利用溅射蒸镀法来对导电氧化物膜进行成膜时，在将基板温度加热到140℃以上的状态下进行成膜，从而能够得到完全结晶性的膜。或者，在低于140℃的基板温度下，利用溅射蒸镀法来形成包括非晶质相的氧化物膜之后，在150℃～350℃下进行加热处理，也同样能够得到完全结晶性的导电氧化物膜。优选在例如氮或氩等惰性气体中进行该加热处理。这是由于：若在容易被氧化的环境中对膜进行加热处理，则氧会过多地摄入到膜中，从而导致中性杂质增加而迁移率降低，因此很难得到导电性能优越的膜。
接着，针对本发明的光波导以及控制用电极的形成方法进行说明。
如上所述，通过光刻技术而在铌酸锂基板上蒸镀了宽度为10μm左右的Ti金属条带之后，将基板在1000℃附近的高温下放置5-10小时，从而使Ti金属扩散到基板内部。如此，形成深度为5μm、宽度为10μm左右的折射率上升区域而作为单一模式的光波导。
接着，通过溅射蒸镀法或离子电镀(ion plating)法，形成含有用于控制用电极的钛的结晶性的氧化铟的导电氧化物膜。
即，在溅射蒸镀法中，例如，使用含有钛的氧化铟烧结体靶，在溅射蒸镀装置内配置光波导基板与上述靶，并在含有氧气的氩惰性气体环境中将基板加热到规定的温度，而且，在该基板与上述靶之间施加电场而在靶与基板之间产生等离子，从而在基板上形成将氧化铟内的一部分铟置换为钛的导电氧化物膜。
另一方面，在离子电镀法中，例如，使用含有钛的氧化铟烧结体料片(tablet)，在离子电镀装置内将上述基板与上述料片配置在铜炉内，并在含有氧气的氩惰性气体环境中将上述基板加热到规定的温度，而且，使用电子枪而从铜炉中使料片蒸发，而在基板附近产生等离子，而使料片蒸汽离子化，从而在基板上形成将氧化铟内的一部分铟置换为钛的导电氧化物膜。
并且，通过改变上述靶或料片中的钛的含量，而能够改变导电氧化物膜中的钛的含量。此时，所形成的导电氧化物膜的结构和结晶特性依赖于导电氧化物膜中的钛的含量、基板的加热温度、惰性气体环境中的氧气分压、成膜速度等成膜条件。
这样的条件因装置而异，从而不能具体地进行限定，但在例如使用市场上销售的一般的溅射装置来进行成膜时，优选地，将靶与基板间的距离设为50～80mm，将溅射成膜中的成膜气体中的氧含量设为相对氩气量的0.25～4％，将成膜气压设为0.3～1.0Pa。
在成膜气体中的氧含量不到0.25％时，氧化铟相的缺氧量增多，而由此所发生的载流子电子变得过多，从而有时会只能得到红外光区的透过率低的导电氧化物膜。另外，在成膜气体中的氧含量超过4％时，在氧化铟内的钛杂质周围会被导入多余的氧气而导致中性杂质增多，从而载流子电子的迁移率会下降，而有时会得不到低电阻的导电氧化物膜。
另外，成膜气压会影响到达到溅射蒸镀中的基板的溅射粒子的动能。若成膜气压不到0.3Pa，则溅射粒子的动能过高，而发生由溅射粒子引起的导电氧化物膜的再溅射，从而有时只能得到表面粗糙的导电氧化物膜。另一方面，若超过1.0Pa，则溅射粒子的动能过低，而到达到基板的溅射粒子不会在基板上发生迁移，从而有时只能得到多孔且密度低的导电氧化物膜。这种导电氧化物膜的载流子电子的晶界散射(grain boundary scattering)大、电阻率高。
在结晶性的导电氧化物膜中，钛置换氧化铟内的一部分铟并被固溶，从而变为迁移率高且电阻率低的膜。为了得到结晶性导电氧化物膜，虽可以不操作基板温度而在得到非晶质的导电氧化物膜之后进行加热处理，从而得到结晶性导电氧化物膜，但只要预先使基板温度变为140℃～350℃而再进行成膜，就能够得到结晶性导电氧化物膜，所以优选将基板温度加热到140℃～350℃的同时进行溅射蒸镀。若基板温度不到140℃，则会生成完全非晶质的膜、或非晶质与结晶质同时存在的膜，而不能得到完全结晶性的导电氧化物膜。另外，若进行超过350℃的加热，则该温度设定上会花费时间，而在实际应用上无法实现。
并且，如上所述，对于通过溅射蒸镀法在不到140℃的基板温度下所得到的、含有非晶质相的氧化物膜进行了成膜的情况下，也能够以150℃以上的温度对该膜进行加热处理而同样可使其结晶化。若在空气中长时间进行加热处理，则氧化物膜中会导入多余的氧，而有时会引起导电性能的下降，但是，若在真空中(例如在1Pa以下)、或在惰性气体(氮气或氩气等)中进行，则能够避免由于氧化物膜过渡氧化而导致的导电性能的下降，从而能够得到稳定且低电阻的结晶膜。另外，即使是在空气中进行的加热处理，但只要是在150℃以上的尽可能低温下的短时间、例如在150～200℃下的10分钟左右以内的加热处理，则也能够避免导电性能恶化的同时得到特性良好的结晶性的导电氧化物膜。
另外，上述导电氧化物膜的膜厚为100nm～5μm，从导电性能以及电极图案形成的容易程度来考虑优选为200nm～1μm。
通过反应性离子蚀刻(reactive ion-etching)，将所形成的导电氧化物膜的一部分除去而形成电极图案。作为蚀刻剂(etchant)，而可以使用在ITO上常用的以HBr为主要成分的蚀刻气体。
另外，在不到140℃的基板温度下通过溅射蒸镀法来以含有非晶质相的氧化物膜进行成膜之后进行加热处理而得到结晶性的导电氧化物膜的方法中，在进行加热处理工序之前通过使用了抗蚀材料的剥离法来形成图案，从而能够在加热处理后形成电极图案。
用这种方法所形成的本发明的波导型光控制元件具有良好的电气、光学特性，因此能够作为在光纤通信、光纤计测中用于控制光波的强度、位相、偏振状态的元件而被适当应用。
接着，针对本发明的波导型光控制元件的一个例子，参照附图详细进行说明。
图1是表示本发明的波导型光控制元件的一个例子的立体图。在图1中，附图标记1表示铌酸锂单晶基板，附图标记2a以及2b表示通道型直线光波导，附图标记3a以及3b表示构成马赫-泽德干涉仪的通道型光波导(支路)。另外，附图标记4a以及4b是以氧化铟为主要成分、且含有钛的结晶性的导电氧化物膜。该导电氧化物膜被用作控制电极。
从该波导型光控制元件的通道型直线光波导2a的入射侧入射激光。这里，若在控制用电极4a与4b之间施加电压，则因电光效应而光波导区域的折射率发生变化，而在马赫-泽德干涉仪的两支路3a与3b中所传播的光之间产生相位差，从而在光会合的Y分支光波导5相互干涉，其结果，在通道型直线光波导2b中传播的光的强度发生变化。即，通过对施加在控制用电极4a与4b间的电压进行控制，而能够控制从通道型直线光波导2b所输出的光的强度。能够利用该作用来实现光波导型的光强度调制器或可变光衰减器。
这里，控制用电极4a与4b是以氧化铟为主要成分、且含有钛元素的结晶性的导电氧化物膜，所以电极难以引起对光的吸收，从而可以使控制用电极充分接近光波导，因此能够降低所施加的电压、即驱动电压。
例如，关于图1所示的波导型光控制元件的控制用电极，通过溅射蒸镀法，形成以氧化铟为主要成分、且以钛/铟的原子数比为0.05的比例含有钛元素的结晶性的导电氧化物膜时，若电极间间隔值为20μm以上，则在TE、TM各模式中由电极所导致的损耗(额外损耗)与间隔值无关而均为0.1dB/cm以下。若间隔值不到20μm，则由电极所导致的上述损耗随着间隔值的减少而缓缓增加，而在10μm时为0.2dB/cm。
通常，也以与形成电极相同的工艺来形成基板上所布线的配线。布线变得复杂时、或要在同一基板上形成具有不同种类的功能的波导型光控制元件时，一般无法避免该所布线的电气配线与光波导交叉。即使设置在光波导的正上方时，也只不过增加1dB/cm，所以宽度为50μm左右的所布线的配线横跨光波导时所产生的损耗很小。
另外，控制用电极4a以及4b在形成以氧化铟为主要成分、且含有钛元素的结晶性的导电氧化物膜之后、在其表面上辅助地形成金属膜(例如Ti和Au的层叠膜)(即ITiO/Ti/Au的结构)的情况下，也不易由电极吸收光，而可以使控制用电极充分接近光波导，所以能够降低所施加的电压即驱动电压。
例如，关于图1所示的波导型光控制元件的控制用电极，通过溅射蒸镀法，形成300nm左右的、以氧化铟为主要成分、且以钛/铟的原子数比为0.05的比例含有钛元素的结晶性的导电氧化物膜、然后通过真空蒸镀法在该导电氧化物膜的表面上依次形成有110nm的Ti膜与60nm的Au膜时，若电极间间隔值为20μm以上，则在TE、TM各模式中由电极所导致的损耗(额外损耗)与间隔值无关，而均为0.1dB/cm以下。若间隔值不到20μm，则由电极所导致的上述损耗随着间隔值的减少而缓缓增加，而在10μm时为0.2dB/cm。即使设置在光波导的正上方时，也只不过增加1dB/cm，而在横跨光波导的电极配线所发生的损耗很小。
另外，由图1所示的波导型光控制元件的电极所导致的损耗(额外损耗)，还依赖于构成控制用电极的导电氧化物膜的膜厚，并显现出导电氧化物膜的膜厚越厚则额外损耗越小的倾向。例如，若电极间间隔值为10μm，则导电氧化物膜的膜厚为150nm以上时，额外损耗为0.2dB/cm以下的低损耗，而即使设置在光波导的正上方，也在膜厚为200nm以上时，也只不过在1dB/cm以下的范围内有所增加，而在横跨光波导的电极配线所发生的损耗很小。
下面，根据实施例对本发明具体进行说明，但本发明的技术内容并不仅限定于这些实施例。
[实施例1～9]
结晶性含钛的氧化铟膜(ITiO)的形成
通过溅射蒸镀法，利用以氧化铟为主要成分、且钛浓度各不相同的ITiO靶，在厚度为1.1mm的康宁(Coning)7059玻璃基板上形成了以钛/铟的原子数比为0.003～0.120的比例含有钛元素的、膜厚为200nm的结晶性导电氧化物膜。
溅射成膜是以如下条件进行的，即，使用直径为6英寸的靶，投入160W的直流电，使用混合有1％的氧气的氩气，将进行溅射蒸镀时的气压设为0.6Pa，将靶与基板间距离设为60mm，将基板温度设为200℃。通过使用钛浓度不同的靶，而形成了以在表1中的“组成膜的Ti/In原子数比”栏所示的比例含有钛的氧化铟薄膜。
然后，根据通过四探针法所测定的表面电阻的测定值与膜厚，计算出所得到的氧化铟薄膜的电阻率值。另外，从使用霍尔效应(hall effect)测定装置(東陽テクニカ社(TOYO Corporation)制造)、且通过范德堡(Van DerPauw)法(例如，参照东京大学出版会、庄野克房著、物理工学实验2、半导体技术(上)p.105的记载)所进行的霍尔效应测定以及上述电阻率测定，求得氧化铟薄膜的载流子浓度与迁移率。另外，通过椭圆偏振光谱法(Spectroscopic Ellipsometry)(偏振解析法)来测定了氧化铟薄膜的光学常数(折射率(n)、衰减系数(k))。这些结果在表1中表示。
从表1可知，以Ti/In原子数比＝0.003～0.120的范围含有钛的氧化铟膜，不仅电阻率为1.9×10-4～7.1×10-4Ωcm而偏低，而且，与后述的以往的ITO膜相比，对常用于光通信的波长为1.3～1.6μm的光波的衰减系数、对波长为1.55μm的光波的衰减系数极小。
表1
  组成膜的Ti/In原子数比 载流子电子浓度(个/cm3) 载流子电子的迁移率(cm2/Vsec) 膜的电阻率(Ωcm) 衰减系数k
  1.3μm   1.55μm   1.6μm
 实施例1   0.003   2.4×1020   58   4.5×10-4   0.023   0.041   0.043
 实施例2   0.008   2.5×1020   84   3.0×10-4   0.028   0.052   0.055
 实施例3   0.017   2.9×1020   90   2.4×10-4   0.032   0.060   0.068
 实施例4   0.024   4.0×1020   75   2.1×10-4   0.038   0.067   0.075
 实施例5   0.033   3.9×1020   77   2.1×10-4   0.042   0.071   0.082
 实施例6   0.055   3.9×1020   85   1.9×10-4   0.048   0.087   0.097
 实施例7   0.088   5.5×1020   60   1.9×10-4   0.095   0.240   0.260
 实施例8   0.100   3.0×1020   51   4.1×10-4   0.039   0.062   0.071
 实施例9   0.120   2.0×1020   44   7.1×10-4   0.022   0.035   0.039
[实施例10～15]
使用在实施例3中所使用的靶，而且除了只增减了进行溅射蒸镀中的氧含量(0.25％～4％)之外均与实施例3同样地进行，而形成了含有钛的氧化铟薄膜。
然后，以同样的条件测定了上述载流子电子浓度、载流子电子的迁移率、膜的电阻率、波长为1.3μm、1.55μm、1.6μm时的膜的衰减系数。在表2中表示其结果。
表2
  氧含量(％)   载流子电子浓度(个/cm3)   载流子电子的迁移率(cm2/Vsec) 膜的电阻率(Ωcm) 衰减系数k
  1.3μm   1.55μm   1.6μm
  实施例10   0.25   5.1×1020   44   2.8×10-4   0.099   0.210   0.245
  实施例11   0.5   3.2×1020   50   3.9×10-4   0.048   0.062   0.078
  实施例12   1.5   3.1×1020   73   2.8×10-4   0.030   0.059   0.066
  实施例13   2   2.5×1020   61   4.1×10-4   0.029   0.058   0.065
  实施例14   3   1.9×1020   51   6.5×10-4   0.026   0.055   0.061
  实施例15   4   1.5×1020   44   9.5×10-4   0.024   0.053   0.058
这些都是以相同的靶(在实施例3中所利用的靶)形成的膜，通过ICP(Inductively Coupled Plasma：电感耦合等离子体)发射光谱测定来测定了组分分析时，Ti/In原子数比为0.015～0.019。
[实施例16～18]
使用在实施例8中所使用的靶，而且除了只增减了进行溅射蒸镀中的氧含量(2％～4％)之外均与实施例8同样地进行，而形成了含有钛的氧化铟薄膜。
并以同样的条件测定了上述载流子电子浓度、载流子电子的迁移率、膜的电阻率、波长为1.3μm、1.55μm、1.6μm时的膜的衰减系数。在表3中表示其结果。
表3
  氧含量(％)   载流子电子浓度(个/cm3)   载流子电子的迁移率(cm2/Vsec)   膜的电阻率(Ωcm)   衰减系数k
  1.3μm   1.55μm   1.6μm
  实施例16   2   2.4×1020   48   5.5×10-4   0.035   0.055   0.061
  实施例17   3   1.9×1020   46   7.2×10-4   0.033   0.052   0.060
  实施例18   4   1.6×1020   44   9.0×10-4   0.030   0.051   0.058
[评价]
(1)表1、表2以及表3所示的含有钛的氧化铟薄膜的载流子电子浓度为5.5×1020个/cm3以下而偏低。这就是使近红外区的衰减系数变小的重要原因。另一方面，即使是低的载流子电子浓度，电阻率也为9.5×10-4Ωcm以下，根据不同膜还具有1.9×10-4Ωcm～2.1×10-4Ωcm(实施例6～7、实施例4～5)的非常低的电阻率。这是由于在表1～表3中的所有膜中，载流子电子的迁移率为44cm2/Vsec以上，并且根据不同膜还高到70cm2/Vsec，并且可以说由此实现了高的导电性能。
(2)通过X射线衍射测定已明确知道：在表1、表2以及表3中所示的含有钛的氧化铟薄膜全都是结晶性良好的膜。进而知道其为结晶性良好的氧化铟的红绿柱石(Bixbite)型结构的膜，另外，没有观察到起因于氧化铟相以外的结晶相的峰值，从而可知钛置换氧化铟相的铟并被固溶。
(3)若通过溅射蒸镀法来在室温～138℃的基板上形成表1、表2以及表3中所示的含有钛的氧化铟薄膜，则通过X射线衍射测定已经明确知道得到的是非晶质结构的膜或非晶质及结晶质同时存在的膜。并还知道：这种膜是一种载流子电子的迁移率为30cm2/Vsec以下、且电阻率在2×10-3Ωcm以上、且导电性能不充分的膜。但是，还知道：若在真空中(1×10-4Pa～1Pa)、或者氮气或氩气等惰性气体中对这些非晶质膜或结晶质与非晶质同时存在的膜以150～350℃进行加热处理，则上述膜的载流子电子的迁移率与电阻率会变为与表1、表2以及表3中所示的结晶性良好的膜相同程度，从而可用于本发明的目的。另外，还知道：只要将上述非晶质膜或结晶质与非晶质同时存在的膜在空气中以150～200℃加热10分钟，上述膜的载流子电子的迁移率与电阻率就会变为与表1、表2以及表3中所示的结晶性良好的膜相同程度，从而可用于本发明的目的。
(4)综上所述，各实施例的结晶性良好的导电氧化物膜(氧化铟膜)的Ti/In的原子数比为0.003～0.120，载流子电子浓度为5.5×1020个/cm3以下，根据不同制作条件会成为2.0×1020个/cm3以下(实时例14～15、实施例17～18)。其结果，波长为1.3～1.6μm时的光波的衰减系数小到0.240以下。特别是，对于在光通信中被广泛应用的波长为1.55μm的光波的衰减系数为0.240以下，而根据不同的膜组分或不同的膜制作条件也会显示出0.08以下的极小的值。另外，由于载流子电子的迁移率高到44～90cm2/Vsec，所以显示出高的导电性能。这样的对红外光的反射及吸收小的高导电性能的氧化物电极材料以往是没有的。
[实施例19]
将ITiO膜适用于控制用电极的波导型光控制元件的形成
(光波导的形成)
为了制造图2所示的波导型光控制元件，而通过光刻技术，在以a轴为主面的铌酸锂单晶基板21上以直线状蒸镀了多根与c轴平行的宽度为8μm、长度为70mm的Ti条带。将其在1050℃的空气中放置9个小时，从而形成了光波导22。该光波导对波长为1.55μm的入射光确认到单一模式的动作。
(对电极材料的成膜)
以与实施例2同样的方式进行，而在该波导型光控制元件的表面上形成膜厚为300nm的含有Ti/In原子数比＝0.008(与实施例2条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜。
(刻画电极图案)
使用与形成光波导同样的光刻技术，将通过溅射蒸镀法而在上述基板21上进行成膜了的氧化铟薄膜刻画为电极形状，并通过将HBr用作主要蚀刻气体的反应性干蚀刻，在光波导的正上方形成宽度为100μm、长度被设置在0～60mm范围内、且膜厚为300nm的电极23(参照图2)。
(由电极所导致的损耗的测定)
对所得到的波导型光控制元件，使用光纤而从通道型光波导端面以TM模式导入波长为1.55μm的激光。并测定在光波导内传播之后从光波导端面所出射的光的强度。
图3是测定了对于各电极长度的插入损耗的结果。
从图3所示的曲线的倾斜度可知，对由电极所导致的光波导的额外损耗进行了计算的结果为0.64dB/cm。另一方面，以同样的方式测定了由作为通常电极而被使用的金属铝所导致的光波导的额外损耗的结果为69.6dB/cm。
因此，能够确认：以实施例的导电氧化物膜(氧化铟膜)所构成的控制用电极的损耗远远小于铝电极。
[实施例20]
除了以与实施例3同样的方式形成了膜厚为300nm的含有Ti/In原子数比＝0.017(与实施例3条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜以外，以与实施例19同样的方法，制造了与将ITiO膜用作控制用电极的实施例19结构相同的波导型光控制元件。
然后，对由ITiO膜电极所导致的光波导的额外损耗进行计算的结果为0.74dB/cm。其明显小于使用金属铝的材质来制造的结构相同的电极的额外损耗(69.6dB/cm)。
[实施例21～27]
除了以300nm的膜厚分别形成了：含有Ti/In原子数比＝0.003(与实施例1条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例21)；含有Ti/In原子数比＝0.024(与实施例4条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例22)；含有Ti/In原子数比＝0.033(与实施例5条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例23)；含有Ti/In原子数比＝0.055(与实施例6条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例24)；含有Ti/In原子数比＝0.088(与实施例7条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例25)；含有Ti/In原子数比＝0.100(与实施例8条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例26)；以及含有Ti/In原子数比＝0.120(与实施例9条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例27)以外，以与实施例19同样的方法制造了与将ITiO膜用作控制用电极的实施例19结构相同的各实施例(实施例21～27)的波导型光控制元件。
然后，对由ITiO膜电极所导致的光波导的额外损耗进行计算结果均显示出与实施例19同样低的损耗(1.0dB/cm以下)。
[实施例28～36]
除了以300nm的膜厚分别：通过与实施例10相同的方法形成了含有钛的氧化铟薄膜(实施例28)；通过与实施例11相同的方法形成了含有钛的氧化铟薄膜(实施例29)；通过与实施例12相同的方法形成了含有钛的氧化铟薄膜(实施例30)；通过与实施例13相同的方法形成了含有钛的氧化铟薄膜(实施例31)；通过与实施例14相同的方法形成了含有钛的氧化铟薄膜(实施例32)；通过与实施例15相同的方法形成了含有钛的氧化铟薄膜(实施例33)；通过与实施例16相同的方法形成了含有钛的氧化铟薄膜(实施例34)；通过与实施例17相同的方法形成了含有钛的氧化铟薄膜(实施例35)；通过与实施例18相同的方法形成了含有钛的氧化铟薄膜(实施例36)以外，以与实施例19同样的方法，制造了与将ITiO膜用作控制用电极的实施例19结构相同的各实施例(实施例28～36)的波导型光控制元件。
然后，对由ITiO膜电极所导致的光波导的额外损耗进行计算的结果均显示出与实施例19同样低的损耗(1.0dB/cm以下)。
[实施例37～42]
除了将含有Ti/In原子数比＝0.017组分的钛的氧化铟薄膜的膜厚形成为100nm(实施例37)、200nm(实施例38)、500nm(实施例39)、1000nm(实施例40)、2500nm(实施例41)、5000nm(实施例42)以外，以与实施例19同样的方法，制造了与将ITiO膜用作控制用电极的实施例19结构相同的各实施例(实施例37～42)的波导型光控制元件。
然后，对由ITiO膜电极所导致的光波导的额外损耗进行计算的结果分别为0.72dB/cm(实施例37)、0.70dB/cm(实施例38)、0.69dB/cm(实施例39)、0.70dB/cm(实施例40)、0.70dB/cm(实施例41)、0.70dB/cm(实施例42)，而均显示出与实施例19同样低的损耗(1.0dB/cm以下)。
[实施例43]
通过与实施例19同样的方法形成了图2所示的光波导之后，通过溅射蒸镀法形成了含有Ti/In原子数比＝0.017(与实施例3条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(膜厚为300nm)。
接着，如图4所示，通过反应性离子蚀刻，在上述光波导31的两肋部形成了设置有电极间间隔33的电极32。并且，电极32的长度在任何间隔中均为60mm。
接着，与实施例19同样，对所得到的波导型光控制元件，使用光纤而从通道型光波导端面以TM模式导入了波长为1.55μm的激光。并测定了在光波导内传播之后从光波导端面出射的光的强度。
然后，从表示电极间间隔(μm)与损耗(dB)之间的关系的图5的曲线图上确认到：若电极间间隔为20μm以上，则如黑圆点所示，由本实施例的导电氧化物膜电极所导致的损耗大致为0dB(0.1dB以下)，另外，即使在电极间间隔变窄到10μm时，也只增加到极低的1dB而已。
因此，通过应用上述导电氧化物膜电极，而能够使电极间间隔变窄，从而能够显著地降低控制用电压。
[实施例44]
将ITiO膜用于控制用电极、且将Ti膜与Au膜用于辅助电极的波导型光控制元件的形成
除将含有Ti/In原子数比＝0.017(与实施例3条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(膜厚为300nm)作为控制电极(其中，电极间间隔为10μm)、且将Ti膜(膜厚为110nm)与Au膜(膜厚为60nm)的层积体作为辅助电极(其中，电极间间隔为20μm)(即使用了ITiO/Ti/Au结构的电极)以外，以与实施例19同样的方法，制造了与将ITO膜用作控制用电极的实施例19结构相同的波导型光控制元件。
然后，对由ITiO膜的控制用电极、和Ti膜与Au膜的辅助电极所导致的光波导的额外损耗进行计算的结果为0.78dB/cm。
其损耗明显小于将作为电极而通常所使用的金属铝作为控制用电极、并使用了辅助电极时的光波导的额外损耗(2.1dB/cm)。
[实施例45～50]
除了将含有Ti/In原子数比＝0.017组分的钛的氧化铟薄膜的膜厚分别形成为100nm(实施例45)、200nm(实施例46)、250nm(实施例47)、400nm(实施例48)、500nm(实施例49)、1000nm(实施例50)以外，以与实施例44同样的方法，制造了与将ITiO膜用作控制用电极的实施例44结构相同的各实施例(实施例45～50)的波导型光控制元件。
然后，对由ITiO膜的控制用电极、和Ti膜与Au膜的辅助电极所导致的光波导的额外损耗进行计算的结果分别为16.52dB/cm(实施例45)、0.95dB/cm(实施例46)、0.82dB/cm(实施例47)、0.71dB/cm(实施例48)、0.69dB/cm(实施例49)、以及0.69dB/cm(实施例50)，而除了实施例45之外，其损耗明显小于将作为电极而通常所使用的金属铝作为控制用电极、且使用了辅助电极时的光波导的额外损耗(2.1dB/cm)。特别是，导电氧化物膜的膜厚为200nm以上时，显示出1.0dB/cm以下的低的损耗。
[实施例51～57]
除了以300nm的膜厚分别形成了：含有Ti/In原子数比＝0.003(与实施例1条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例51)；含有Ti/In原子数比＝0.024(与实施例4条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例52)；含有Ti/In原子数比＝0.033(与实施例5条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例53)；含有Ti/In原子数比＝0.055(与实施例6条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例54)；含有Ti/In原子数比＝0.088(与实施例7条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例55)；含有Ti/In原子数比＝0.100(与实施例8条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例56)；以及含有Ti/In原子数比＝0.120(与实施例9条件相同)组分的钛的氧化铟薄膜(实施例57)以外，以与实施例44同样的方法，制造了与使用了ITiO膜的控制用电极与金属的补助电极(即使用了ITiO/Ti/Au结构的电极)的实施例44结构相同的各实施例(实施例51～57)的波导型光控制元件。
然后，对由ITiO膜的控制用电极、和Ti膜与Au膜的辅助电极所导致的光波导的额外损耗进行计算的结果，均显示出与实施例44同样低的损耗(1.0dB/cm以下)。
[比较例1～4](以往的ITO膜的例子)
通过溅射蒸镀法，在厚度为1.1mm的康宁7059玻璃基板上，由以下步骤形成含有从以往利用于光通信用液晶晶元(liquid crystal cell)中的锡、而不含钛的膜厚为200nm的氧化铟(ITO)膜，然后测定其电气特性和光学特性。
溅射成膜是通过如下步骤进行的，即，使用直径为6英寸的通用的含有10质量％的SnO2的In2O3的烧结体靶，投入160W的直流电，使用混合了1～8％的氧气的氩气，而且，将进行溅射蒸镀时的气压设为0.6Pa，将靶与基板间距离设为60mm，将基板温度设为200℃。
对于所得到的膜，根据通过四探针法所测定的表面电阻的测定值与膜厚，计算出电阻率值。使用霍尔效应测定装置(東陽テクニカ社(TOYOCorporation)制造)而在与实施例1相同的条件下测定了膜的载流子浓度与迁移率。另外，通过椭圆偏振光谱法(偏振解析法)以与实施例1相同的方法测定了膜的光学常数(折射率(n)，衰减系数(k))。
通过使进行溅射蒸镀中的氧含量的增加，而能够使ITO膜的电阻率增加。对于氧化铟类的导电氧化物膜，通过使进行溅射中的氧含量的增加，而能够减少膜中的缺氧量，从而能够减少载流子浓度。
在上述条件中，只增加在进行溅射蒸镀中的氧含量，而制造了比较例1～4的ITO薄膜。并在与实施例相同的条件下，对这些膜的载流子电子浓度、载流子电子的迁移率、膜的电阻率、波长为1.3μm、1.55μm、1.6μm时的膜的衰减系数进行了测定。在表4中表示其结果。
表4
  含氧量(％)   载流子电子浓度(个/cm3)   载流子电子的迁移率(cm2/Vsec)   膜的电阻率(Ωcm)   衰减系数k
  1.3μm   1.55μm   1.6μm
  比较例1   1   1.5×1021   32.3   1.3×10-4   1.032   1.765   1.890
  比较例2   3   9.2×1020   12.7   5.4×10-4   0.913   0.955   1.102
  比较例3   6   6.3×1020   8.3   1.2×10-3   0.112   0.310   0.342
  比较例4   8   5.7×1020   3.4   3.2×10-3   0.102   0.256   0.295
[确认]
从表4可确认到以下各点：
(1)以氧含量为1％、3％所制造的比较例1～2的ITO膜的电阻率虽低，但是波长为1.3μm～1.6μm时的膜的衰减系数明显的高于记载在表1～3中的实施例的ITiO膜。
另一方面，通过将溅射蒸镀中的氧含量增加到6％、8％(比较例3～4)而波长为1.3μm～1.6μm时的膜的衰减系数被降低，但膜的电阻率被增加，而明显的高于记载在表1～3中的实施例的ITiO膜。这种导电性能差的材料不能用于光波导的控制用电极。
(2)根据X射线衍射测定，ITO膜均都结晶性良好。通过霍尔效应测定，对膜的载流子电子浓度、载流子电子的迁移率进行了测定。以氧含量1％制作的比较例1的ITO膜的电阻率低到1.3×10-4Ωcm，但由于载流子电子浓度高达1.5×1021个/cm3，所以载流子电子对红外光的吸收及反射的影响大，从而衰减系数高。
若在波导型光控制元件的控制用电极中使用这种膜，则通过光波导内的近红外光的吸收大，而导致元件的插入损耗变大。为了避免这一点，需要拓宽电极间间隔，且必须施加用于致使折射率变化的高的驱动电压，从而无法实现低驱动电压的元件。
(3)若增加溅射蒸镀中的氧，则能够使载流子电子浓度下降。在表4中的氧含量为8％时的所形成的比较例4的ITO膜的载流子浓度低到5.7×1020个/cm3，而且近红外区的衰减系数也下降，但电阻率明显增加。
这是由于：低电阻的ITO的载流子电子的迁移率低，进而当过多的氧被摄入到膜中时，由中性杂质所导致的散射增加而迁移率进一步下降。这种导电性能差的材料不能用于光波导的控制用电极。
[比较例5]
通过溅射蒸镀法，在厚度为1.1mm的康宁7059玻璃基板上，与实施例1同样通过以下步骤形成了从以往应用于光通信用的液晶晶元中的金属Ti膜，然后测定其电气特性和光学特性。
溅射成膜是通过如下步骤进行的，即，使用直径为6英寸的金属Ti靶，投入160W的直流电，使用纯氩气，而且，将气压设为0.6Pa，将靶与基板间距离设为60mm，将基板温度设为室温。
对于所得到的膜，根据通过四探针法所测定的表面电阻的测定值与膜厚，计算出电阻率值。使用霍尔效应测定装置(東陽テクニカ社(TOYOCorporation)制造)而在与实施例1相同的条件下测定了膜的载流子浓度与迁移率。另外，通过椭圆偏振光谱法(偏振解析法)以与实施例1相同的方法测定了膜的光学常数(折射率(n)，衰减系数(k))。
Ti膜的电阻率低到50μΩcm，但衰减系数在波长为1.3μm～1.55μm时为4.2～4.7，而明显高于记载在表1中的实施例1的ITiO膜。
[比较例6、7]
除了将比较例2与比较例3的ITO膜(膜厚为300nm)用作控制用电极膜以外，以与实施例19同样的方法，制造了与将ITO膜用作控制用电极的与实施例19结构相同的比较例6与比较例7的波导型光控制元件。
然后，对由ITO膜电极所导致的光波导的额外损耗进行计算的结果均为8.3dB/cm，而其损耗明显高于将ITiO膜用于电极的实施例19的波导型光控制元件。
[比较例8]
以与实施例19同样的方法形成了光波导之后，在其上设置了作为电极材料而与铝同样常用的、具有钛与金的双层结构的金属电极，并进行了与实施例43同样的实验，其结果，电极间间隔(μm)与损耗(dB)之间的关系如图5的曲线图所示，电极间间隔为20μm以上时，如白圆点所示，由电极所导致的损耗为3.5dB，另外，电极间间隔为32μm时，由电极所导致的损耗大致变为0dB(0.1dB以下)。
因此，由于电极间间隔宽，而无法避免控制用电压的上升。
[比较例9～10]
除了形成了含有Ti/In原子数比＝0.002组分的钛的氧化铟薄膜(比较例9)、与含有Ti/In原子数比＝0.140组分的钛的氧化铟薄膜(比较例10)以外，与实施例1同样的方式形成含有钛的氧化铟膜，并根据通过四探针法所测定的表面电阻的测定值与膜厚，计算出所得到的比较例9与10的膜的电阻率值。
另外，从使用霍尔效应测定装置(東陽テクニカ社(TOYO Corporation)制造)、且通过范德堡(Van Der Pauw)法(参照上述的东京大学出版会、庄野克房著、物理工学实验2、半导体技术(上)p.105的记载)所进行的霍尔效应测定以及上述电阻率测定，求出比较例9与10的膜的载流子浓度与迁移率。另外，通过椭圆偏振光谱法(偏振解析法)来测定了氧化铟薄膜的光学常数(折射率(n)，衰减系数(k))。这些结果在表5中表示。
表5
  组成膜的Ti/In原子数比   载流子电子浓度(个/cm3)   载流子电子的迁移率(cm2/Vsec) 膜的电阻率(Ωcm) 衰减系数k
  1.3μm   1.55μm   1.6μm
  比较例9   0.002   2.0×1020   32   9.8×10-4   1.022   0.038   0.041
  比较例10   0.140   1.9×1020   30   1.1×10-3   0.029   0.038   0.042
表5中的比较例9与比较例10的膜具有从作为本发明的特征的导电氧化物膜的组分范围(Ti/In原子数比为0.003～0.120)偏离的组分。虽然比较例9与比较例10的膜通过X射线衍射测定被确认为结晶性优越的膜，但电阻率为9.8×10-4Ωcm而不满足本发明的必要条件(电阻率为9.5×10-4Ωcm以下)，比实施例1～18的膜电阻率高。Ti/In原子数比越偏离0.003～0.120的范围，则该倾向越表现出电阻率增加的倾向。
此主要原因为：比较例9与10的膜的迁移率比实施例1～18的导电氧化物膜低。由此，为了得到作为近红外线控制用的电极而有用的、具有高迁移率、低电阻的电气特性的导电氧化物膜，不仅需要使Ti包含于In2O3中，而且还需要使Ti以Ti/In原子数比为0.003～0.120的含量比例存在。
[比较例11～12]
除了使用了实施例3中所使用的靶、且只增减溅射蒸镀中的氧含量(0.1％～5％)以外，与实施例3同样的方式形成了含有钛的氧化铟薄膜。
然后，以同样的条件测定了上述载流子电子浓度、载流子电子的迁移率、膜的电阻率、波长为1.3μm、1.55μm、1.6μm时的膜的衰减系数。在表6中表示其结果。
表6
  氧含量(％)   载流子电子浓度(个/cm3)   载流子电子的迁移率(cm2/Vsec)   膜的电阻率(Ωcm)   衰减系数k
  1.3μm   1.55μm   1.6μm
  比较例11   0.1   6.0×1020   15   7.0×10-4   0.128   0.285   0.322
  比较例12   5   1.4×1020   11   1.1×10-3   0.022   0.050   0.054
这些是使用相同的靶来制作的，通过ICP(电感耦合等离子体)发射光谱测定来测定了组分分析时，Ti/In原子数比为0.015～0.019。
但是，比较例11的膜由于被导入了过度的缺氧而导致载流子电子浓度变为6.0×1020个/cm3，而不满足本发明的必要条件(载流子电子浓度为5.5×1020个/cm3以下)，因此与实施例1～18的膜相比，载流子电子浓度高、且近红外区的衰减系数高。如果在近红外光的控制用电极中使用这种膜则损耗大，所以无法制造出高性能的波导型光控制元件。
另外，比较例12的膜的电阻率为1.1×10-3Ωcm，而不满足本发明的必要条件(电阻率为9.5×10-4Ωcm以下)，且高于实施例1～18的膜。这是由于：氧过多地摄入到膜中，而被生成很多的中性杂质，从而导致迁移率的下降。这种导电性能差的膜无法用作波导型光控制元件的控制用电极。
工业上的可利用性
若根据本发明，则能够提供一种能够抑制DC漂移、且能够实现低电压驱动、及对任意的输入偏振波的低损耗的波导型光控制元件。
因此，能够适用于可利用在红外区的光纤通信中的、损耗极小、且低电压驱动的高性能的光调制器或电光开关、偏振波控制设备、可变光衰减器。

Claims (8)

1.一种波导型光控制元件，具有：光波导，其由具有电光效应或热光效应的绝缘材料构成；控制用电极，其接触或接近于光波导而被设置，并且，在波长为1.3～1.6μm时的上述光波导的传播损耗为1dB/cm以下，其特征在于，
由载流子电子浓度为5.5×1020个/cm3以下、且电阻率为9.5×10-4Ωcm以下的导电氧化物膜构成上述控制用电极的同时，导电氧化物膜对波长为1.55μm的光波的衰减系数为0.240以下。
2.如权利要求1所述的波导型光控制元件，其特征在于，上述导电氧化物膜是一种以氧化铟为主要成分、且以钛/铟的原子数比为0.003～0.120的比例含有钛元素的结晶性导电氧化物膜。
3.如权利要求1或2所述的波导型光控制元件，其特征在于，导电氧化物膜的厚度为100nm～5μm。
4.如权利要求1或2所述的波导型光控制元件，其特征在于，在上述导电氧化物膜的表面上作为辅助电极而形成有单层或多层的金属膜。
5.一种波导型光控制元件的制造方法，用于制造权利要求1或2所述的波导型光控制元件，其特征在于，
在由具有电光效应或热光效应的绝缘材料构成的光波导的上方或附近，作为控制用电极而成膜导电氧化物膜时，通过将含有铟和钛的氧化物烧结体作为原料来使用的溅射蒸镀法或离子电镀法来成膜上述导电氧化物膜。
6.如权利要求5所述的波导型光控制元件的制造方法，其特征在于，通过溅射蒸镀法成膜导电氧化物膜而作为控制用电极时，将上述光波导的基板与靶之间的距离设为50～80mm，将进行溅射成膜中的成膜气体中的氧含量设为相对氩气量的0.25～4％，而且，将成膜气压设为0.3～1.0Pa，将上述基板温度设为140℃～350℃。
7.如权利要求5所述的波导型光控制元件的制造方法，其特征在于，在形成作为控制用电极的导电氧化物膜时，将上述光波导的基板与靶之间的距离设为50～80mm，将进行溅射成膜中的成膜气体中的氧含量设为相对氩气量的0.25～4％，而且，将成膜气压设为0.3～1.0Pa，将上述基板温度设为不到140℃，并在上述条件下通过溅射蒸镀法形成了氧化物膜之后，对该氧化物膜在150℃～350℃下进行加热处理。
8.如权利要求7所述的波导型光控制元件的制造方法，其特征在于，在真空中或惰性气体中进行对上述氧化物膜的加热处理。
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